Hva er den avanserte Photon-kilden? Hvordan Ultra-Bright X-Ray Beams er laget

Det er 4, og jeg har vært oppe i ca 20 timer rett. En høy alarm er blaring, ledsaget av rødt blinklys blinker. En stern stemme annonserer, "Søker stasjon B. Avslutt umiddelbart." Det føles som en nødsituasjon, men det er det ikke. Faktisk har alarmen allerede gått 60 eller 70 ganger i dag. Det er en advarsel, slik at alle i nærheten vet at jeg er i ferd med å sprenge en høyt drevet røntgenstråle inn i et lite rom fullt av elektronisk utstyr og plumes av fordampende flytende nitrogen.

I midten av dette rommet, som kalles stasjon B, har jeg plassert en krystall som ikke er tykkere enn et menneskehår på toppen av en liten glassfiber. Jeg har forberedt dusinvis av disse krystallene, og prøver å analysere dem alle.

Disse krystallene er laget av organiske halvledende materialer, som brukes til å lage dataplate, LED-lys, smarttelefonskjerm og solpaneler. Jeg vil finne ut nøyaktig hvor hvert atom inne i krystallene ligger, hvor tett de er, og hvordan de samhandler med hverandre. Denne informasjonen vil hjelpe meg å forutsi hvor godt elektrisitet vil strømme gjennom dem.

For å se disse atomene og bestemme strukturen, trenger jeg hjelp av en synkrotron, som er et massivt vitenskapelig instrument som inneholder en kilometerlang slynger av elektroner som zoomer rundt i nærheten av lysets hastighet. Jeg trenger også et mikroskop, et gyroskop, flytende nitrogen, litt flaks, en begavet kollega og en tricycle.

Å få krystallet på plass

Det første trinnet i dette eksperimentet innebærer å plassere super-små krystaller på toppen av glassfiberen. Jeg bruker en nål til å skrape en haug av dem sammen på en glidelåse og legge dem under et mikroskop. Krystallene er vakre - fargerike og fasetterte som små edelstener. Jeg finner meg ofte transfixed, stirrer med søvnmangel i øynene i mikroskopet, og refokuserer blikket mitt før du forsiktig samler en på glassfiberen.

Når jeg har fått krystallet festet til fiberen, begynner jeg den ofte frustrerende oppgaven med å sentrere krystallet på spissen av et gyroskop i stasjon B. Denne enheten vil rotere krystallet rundt sakte og kontinuerlig, slik at jeg får X- ray bilder av det fra alle sider.

Når den spinner, blir flytende nitrogen damp brukt til å avkjøle den: Selv ved romtemperatur vibrerer atomer frem og tilbake, noe som gjør det vanskelig å få klare bilder av dem. Kjøling av krystallet til minus 196 grader Celsius, temperaturen av flytende nitrogen, gjør at atomene slutter å bevege seg så mye.

Røntgenfotografi

Når jeg har krystallet sentrert og avkjølt, lukker jeg av stasjon B, og fra en datamaskinstyringshub utenfor det, spreng prøven med røntgenstråler. Det resulterende bildet, kalt et diffraksjonsmønster, vises som lyse flekker på en oransje bakgrunn.

Det jeg gjør er ikke veldig forskjellig fra å ta bilder med et kamera og et blunk. Jeg skal sende lysstråler til et objekt og registrere hvordan lyset hopper av det. Men jeg kan ikke bruke synlig lys for å fotografere atomer - de er for små, og lysets bølgelengder i den synlige delen av spektret er for store. Røntgenstråler har kortere bølgelengder, så de vil diffradere eller sprette av atomer.

Imidlertid, i motsetning til et kamera, kan diffrakte røntgenstråler ikke fokuseres med en enkel linse. I stedet for et fotografisk bilde, er dataene jeg samler et ufokusert mønster av hvor røntgenstrålene gikk etter at de sprang av atomene i krystallet mitt. Et komplett sett med data om en krystall består av disse bildene tatt fra alle vinkler rundt krystallet mens gyroskopet spinner det.

Avansert matematikk

Min kollega, Nicholas DeWeerd, sitter i nærheten, analyserer datasett jeg allerede har samlet.Han har klart å ignorere blaringalarmene og blinkende lysene i flere timer, stirrer på diffraksjonsbilder på skjermen for å i virkeligheten slå røntgenbilder fra alle sider av krystallet til et bilde av atomer inne i selve krystallet.

I år tidligere, kan denne prosessen ha tatt år med forsiktige beregninger gjort for hånd, men nå bruker han datamodellering for å sette sammen alle brikkene. Han er vår forskningsgruppes uoffisielle ekspert på denne delen av puslespillet, og han elsker det. "Det er som jul!" Jeg hører ham mutter, da han flipper gjennom blinkende bilder av diffraksjonsmønstre.

Jeg smiler på entusiasmen han har klart å opprettholde så sent på natten, da jeg brenner opp synkronen for å få bildene mine av krystallet plassert i stasjon B. Jeg holder pusten min da diffraksjonsmønstre fra de første få vinklene dukker opp på skjermen. Ikke alle krystaller diffrakterer, selv om jeg har satt alt perfekt. Ofte er det fordi hver krystall består av mange enda mindre krystaller som sitter fast sammen, eller krystaller som inneholder for mange urenheter til å danne et repeterende krystallinsk mønster som vi kan matematisk løse.

Hvis denne ikke leverer klare bilder, må jeg begynne og sette opp en annen. Heldigvis, i dette tilfellet, de første bildene som dukker opp, viser lyse, klare diffraksjonspunkter. Jeg smiler og leter meg tilbake for å samle resten av datasettet. Nå som gyroskopet virvler og røntgenstrålen blaster prøven, har jeg et par minutter å slappe av.

Jeg vil drikke litt kaffe for å holde seg våken, men hendene mine rister allerede fra koffeinoverbelastning. I stedet ringer jeg til Nick: "Jeg skal ta et runde." Jeg går over til en gruppe trehjulede sykler som sitter i nærheten. Normalt brukt bare for å komme seg rundt den store bygningen som inneholder synkrotronen, finner jeg dem like nyttig for et desperat forsøk på å våkne opp med litt trening.

Mens jeg rir, tenker jeg på krystallet montert på gyroskopet. Jeg har brukt måneder på å syntetisere det, og snart får jeg et bilde av det. Med bildet får jeg en forståelse for om de endringene jeg har gjort på det, noe som gjør det litt annerledes enn andre materialer jeg har gjort tidligere, har forbedret det i det hele tatt. Hvis jeg ser tegn på bedre pakking eller økt intermolekylære interaksjoner, kan det bety at molekylet er en god kandidat for testing i elektroniske enheter.

Utmattet, men glad fordi jeg samler nyttige data, trager jeg sakte rundt løkken, og merker at synkrotronen er i stor etterspørsel. Når strålen er i gang, brukes den 24/7, derfor jobber jeg gjennom natten. Jeg var heldig å få en tidsluke i det hele tatt. På andre stasjoner arbeider andre forskere som meg med sent på natten.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Kerry Rippy. Les den opprinnelige artikkelen her.